CN105855275B - 一种污泥与餐厨垃圾的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种污泥与餐厨垃圾的处理方法，该方法利用餐厨垃圾与污泥为主要原料，分离出餐厨垃圾中的废油脂作为燃料或生物塑料的原料；发酵产生的以甲烷为主的生物燃气作为燃料外供；热解产生的生物炭经吸收沼液中的养份后，作为生物炭肥料。本发明所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法，适应我国目前日益紧迫的污泥和餐厨垃圾处理处置需求，有效解决了两者各自单独处理处置所存在的问题，而且实现副产物分类高值化利用，低碳、高效、清洁地利用各项副产物，达到物尽其用、节能环保、降低成本的目标，具有良好的经济效益与环境效益。
Description
技术领域
本发明涉及餐厨垃圾与污泥资源综合利用领域，尤其是一种污泥与餐厨垃圾的处理方法。
背景技术
随着城市污水处理厂规模和数量的不断扩大，我国的污泥发生量快速增加，预测每年将达到4000万吨（含水率80%计）。大量湿污泥随意外运、简单填埋或堆放（约占处置量的60%），致使许多城市“毒泥围城”，由此所带来的社会问题日益紧迫突出。由于填埋场地逐渐减少、而且因环境污染问题受到了周边居民的强烈反对，所以土地填埋只能作为短期调控措施。发达国家走过类似中国的发展阶段，设法低成本处理处置“污水污泥”，但最终明确了“资源化、能源化、全循环”为主导的未来污水污泥发展方向。其中，污泥厌氧消化方法不仅可以实现污泥的稳定化，而且还能产生生物燃气甲烷，从而能够实现污泥的资源化。然而，污水污泥有机质含量较低，单独厌氧消化普遍存在炭氮比（C/N）偏低、产气率低的问题。
另一方面，作为城市有机固体废弃物的一大来源，餐厨垃圾资源化利用受到高度重视。我国餐厨垃圾年产量约4000-5000万吨，每年以大概10%左右的速率增长。餐厨垃圾的基本理化特点是高水分（约80 - 85%）、高盐分和高有机质含量，极易腐烂变质，滋生病菌，同时还含氮、磷、钾、钙及各种微量元素。传统的餐厨垃圾处置方法有卫生填埋、排入下水道、作为动物饲料、混入垃圾中焚烧或有机堆肥。新兴的资源化利用技术包括厌氧发酵产沼气、制取生物柴油等，这也是国内外研究的热点和发展趋势。其中餐厨垃圾厌氧发酵因其能提供能源用气，成为公认的可持续发展技术和研究热点。餐厨垃圾厌氧发酵产沼气国内外研究较多，但其厌氧发酵产沼气过程仍存在一些技术难点，例如水解速度太快导致pH值偏低、含氮量偏低，容易发生酸抑制和氨氮抑制现象，从而造成消化过程进行缓慢，甚至导致厌氧消化处理系统启动和运行失败，沼气中含甲烷率偏低。
针对污泥和餐厨垃圾单独厌氧发酵的工艺局限性，有部分研究都提出将污泥和餐厨垃圾混合处置，以实现两者优势互补，有望解决上述问题。中国实用新型专利CN203451394U公开了一种城市污泥或餐厨沼渣密闭好氧制生物有机肥系统，包括农林废弃物收集仓、铡切装置、烘干装置、粉碎装置、储存罐、污泥或餐厨沼渣储存仓、搅拌混合装置、密闭卧式双层筒体好氧发酵罐、密闭卧式好氧发酵罐、粉碎筛分装置、均质储存仓、有机肥包装装置、供气装置和排气装置。该专利采用城市污泥或餐厨沼渣好氧堆肥，周期较长，占地面积大，无法完全消解污泥与沼渣中的抗生素等有机物，重金属固化效果一般。中国发明专利CN 101921809B提供了一种餐厨垃圾的处理方法，将餐厨垃圾经分拣除杂、破碎、浆化与酸化，升流式厌氧污泥床内进行厌氧发酵得到沼气。该方法没有提出利用污泥来解决餐厨垃圾厌氧发酵过程中的碳氮比较高、水解速度太快导致pH值偏低、含氮量偏低、盐分高、容易发生酸抑制和氨氮抑制等问题。中国发明专利CN 102367455B公开了一种通过控制氨氮浓度提高餐厨垃圾厌氧消化产氢的方法，包括如下步骤：1) 将餐厨垃圾经过分选去除杂质，再经粉碎处理后，与沼气生产系统的活性污泥混合，添加氯化铵作为氮源来控制氨氮的浓度，通过厌氧发酵，生产氢气。该技术没有利用污水污泥来提高厌氧发酵的沼气产率，未实现餐厨垃圾与污泥的高效资源化利用。中国发明专利CN 103241923B发明公开了一种餐厨垃圾与污泥联合脱水方法，将餐厨垃圾与污泥按照1:1至1. 5:1的重量比混合，再加入总重量5%至10%的电石渣除臭，实现提高餐厨垃圾与污泥干化效率，但未涉及后续干化产物的高附加值利用。中国发明专利申请CN 104561222A提供一种餐厨垃圾和污泥产氢酸化预处理提高甲烷生产速率的方法，将粉碎预处理后的餐厨垃圾和污泥混合后，与硫酸溶液配制成混合液在135℃下水解处理得到发酵原料;向发酵原料加入酵母粉，接种暗发酵产氢菌，通入高纯氮气营造厌氧发酵环境产甲烷。该方法通过深度酸化预处理来提高甲烷生产速率，并未涉及沼液、沼渣与污泥的资源化利用，工艺过程比较复杂。
综合分析国内外研究现状，目前餐厨垃圾与污泥混合处理主要集中于直接混合堆肥或混合发酵产气，存在资源化利用不充分、产气效率不高、容易产生二次污染、处置成本高、副产品附加值低等不足。因此，迫切需要开发新的餐厨垃圾与污泥协同处置技术，以实现其高附加值利用的目标。
发明内容
本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，针对上述提到的污泥有机质含量较低，单独厌氧消化普遍存在碳氮比偏低、产气率低的问题，以及餐厨垃圾单独厌氧消化时碳氮比较高、水解速度太快导致pH值偏低、含氮量偏低、盐分高、容易发生酸抑制和氨氮抑制的问题，提供一种污泥与餐厨垃圾的处理方法，克服现有餐厨垃圾与污泥协同资源化利用过程的不足，将餐厨垃圾与污泥转化为生物燃气与生物炭肥料，实现餐厨垃圾与污泥协同资源化高效利用，低碳、高效、清洁地利用各项副产物，达到物尽其用、节能环保、降低成本的目标。
本发明所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法，利用餐厨垃圾与污泥为主要原料，分离出餐厨垃圾中的废油脂作为燃料或生物塑料的原料；发酵产生的以甲烷为主的生物燃气作为燃料外供；热解产生的生物炭经吸收沼液中的养份后，作为生物炭肥料，充分实现了餐厨垃圾与污泥处置过程副产物的高值化利用。
由于污泥有机质含量较低，单独厌氧消化普遍存在碳氮比偏低、产气率低的问题，而餐厨垃圾单独厌氧消化时碳氮比较高、水解速度太快导致pH值偏低、含氮量偏低、盐分高、容易发生酸抑制和氨氮抑制的问题，故本发明所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法，将污泥水热液与餐厨垃圾分离水相混合发酵，有利于互补污泥和餐厨垃圾单独厌氧消化时的缺点，有利于提高系统运行稳定性、有机物去除效果和产气效率，降低运行成本。
本发明所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法中，污泥和餐厨垃圾水相混合共发酵产生物燃气还可以稀释挥发酸、氨氮、钠离子（Na＋）等抑制因子，为发酵过程提供良好的微生物生存和代谢环境。
本发明所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法充分利用发酵产生的沼渣中的盐离子，使其在与污泥水热固相混合干化过程中破坏污泥中的“粘胶相区”，使含水细胞进一步破壁，提高干燥效率，而且，添加沼渣还使热解生物炭中的碳元素含量均加，改善了生物炭孔隙结构，有机物得到分解，重金属等元素得到高效固化。另一方面，所得到的生物炭与发酵产生的沼液混合浸渍，负载丰富的N、P、K等元素，是良好的生物炭肥料。
本发明所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法，通过水相混合发酵，固相混合热解的方式，解决当前污泥与餐厨垃圾混合堆肥或混合发酵过程中，有害物质（如含有的细菌、微生物和抗生素污染物）无法完全消解和重金属没有得到有效固化的问题，工艺过程清洁环保。
所述的餐厨垃圾分离固相、所述的污泥水热固相与沼渣一起混合、烘干的过程中，烘干温度为80℃-120℃，这是因为温度高于120℃，易使餐厨垃圾在干燥过程产生有机物质分解，温度低于80℃，则影响干燥效率。
烘干之后的炭化步骤中，温度为500℃－950℃。这是因为此温度区间可以达到固相的完全分解，完全消减细菌、微生物和抗生素污染物。温度低于500℃，不但无法顺利实现固相的完全热解，而且无法消除其中含有的细菌、微生物和抗生素污染物；高于950℃，对提高热解生物炭质量影响有限，易造成能源浪费。
具体方案如下：
一种污泥与餐厨垃圾的处理方法，其包括以下步骤：
1）将餐厨垃圾进行破碎、浆化、分离，获得废油脂、餐厨垃圾分离水相与餐厨垃圾分离固相；
2）将污泥进行水热处理，产物分离后获得污泥水热液相与污泥水热固相；
3）将所述的餐厨垃圾分离水相与所述的污泥水热液相混合，厌氧发酵后产物分离获得生物燃气、沼渣与沼液；
4）将所述的餐厨垃圾分离固相、所述的污泥水热固相与步骤3）中获得的沼渣一起混合、烘干、炭化后制备热解生物炭；
其中，步骤1）中所获得的废油脂用作生产燃料或生物塑料的原料；步骤3）中所获得的生物燃气作为燃料使用；步骤4）中所获得的热解生物炭用于吸收步骤3）中获得的沼液，负载沼液中营养成分后得到生物炭肥料。
进一步的，所述的步骤2）中水热处理的温度为100-200℃，压力为2-10bar，时间为30-120min。
进一步的，所述的步骤2）中产物分离的方法为板框压滤法或真空抽滤法；
任选的，所述的步骤3）中产物分离的方法为板框压滤法或真空抽滤法。
进一步的，所述的步骤3）中餐厨垃圾分离水相与污泥水热液相混合，混合时间为5-10min。
进一步的，所述的步骤3）中厌氧发酵的条件为碳氮比为15：1-35:1，pH值为6-8。
进一步的，所述的步骤4）中餐厨垃圾分离固相、污泥水热固相与沼渣混合的比例为：餐厨垃圾分离固相与沼渣的总重占污泥水热固相总重的5-50%，混合时间为5-30min。
进一步的，所述的步骤4）中炭化产生的热解气作为炭化过程的能源，热解气燃烧后产生的烟气余热用于所述的步骤4）中的烘干。
进一步的，所述的步骤4）中烘干的温度为50℃-120℃。
进一步的，所述的步骤4）中炭化的温度为500℃-950℃，物料停留时间为5-60min。
有益效果：本发明所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法，适应我国目前日益紧迫的污泥和餐厨垃圾处理处置需求，有效解决了两者各自单独处理处置所存在的问题，而且实现副产物分类高值化利用，低碳、高效、清洁地利用各项副产物，达到物尽其用、节能环保、降低成本的目标，具有良好的经济效益与环境效益。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的污泥与餐厨垃圾处理方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明技术方案作进一步阐述。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
一种污泥与餐厨垃圾的处理方法，如图1所示，包括以下步骤：
1）将餐厨垃圾进行破碎、浆化、分离，获得废油脂、餐厨垃圾分离水相与餐厨垃圾分离固相；
2）将污泥进行水热处理，产物分离后获得污泥水热液相与污泥水热固相；
3）将所述的餐厨垃圾分离水相与所述的污泥水热液相混合，厌氧发酵后产物分离获得生物燃气、沼渣与沼液；
4）将所述的餐厨垃圾分离固相、所述的污泥水热固相与步骤3）中获得的沼渣一起混合、烘干、炭化后制备热解生物炭；
其中，步骤1）中所获得的废油脂用作生产燃料或生物塑料的原料；步骤3）中所获得的生物燃气作为燃料使用；步骤4）中所获得的热解生物炭用于吸收步骤3）中获得的沼液，负载沼液中营养成分后得到生物炭肥料；
所述的步骤2）中水热处理的温度为150℃，压力为6bar，时间为75min；
所述的步骤2）中产物分离的方法为板框压滤法；
所述的步骤3）中产物分离的方法为真空抽滤法；
所述的步骤3）中餐厨垃圾分离水相与污泥水热液相混合，混合时间为7min；
所述的步骤3）中厌氧发酵的条件为碳氮比为25:1，pH值为7；
所述的步骤4）中餐厨垃圾分离固相、污泥水热固相与沼渣混合的比例为：餐厨垃圾分离固相与沼渣的总重占污泥水热固相总重的27%，混合时间为18min；
所述的步骤4）中炭化产生的热解气作为炭化过程的能源，热解气燃烧后产生的烟气余热用于所述的步骤4）中的烘干；
所述的步骤4）中烘干的温度为80℃；
所述的步骤4）中炭化温度为750℃，物料停留时间为30min。
本实施例所述的方法可实现污泥与餐厨垃圾资源化协同利用，厌氧发酵产气率≥0.25m3/kgCOD，燃气中甲烷含量>85%；产出的废油脂经预处理后可用于生产燃料油或生物塑料；得到的生物炭肥料产品（N+P2O5+K2O）>5%，可提高作物产量3-8%。该方法实现能源100%自供，尾气达标排放，清洁环保，具有良好的经济效益与环境效益。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于，所述的步骤2）中水热处理的温度为100-℃，压力为2bar，时间为120min；
所述的步骤2）中产物分离的方法为板框压滤法；
所述的步骤3）中产物分离的方法为板框压滤法；
所述的步骤3）中餐厨垃圾分离水相与污泥水热液相混合，混合时间为5min；
所述的步骤3）中厌氧发酵的条件为碳氮比为15：1，pH值为6；
所述的步骤4）中餐厨垃圾分离固相、污泥水热固相与沼渣混合的比例为：餐厨垃圾分离固相与沼渣的总重占污泥水热固相总重的5%，混合时间为5min；
所述的步骤4）中烘干的温度为50℃；
所述的步骤4）中炭化温度为500℃，物料停留时间为60min。
本实施例所述的方法可实现污泥与餐厨垃圾资源化协同利用，厌氧发酵产气率≥0.25m3/kgCOD，燃气中甲烷含量>85%；产出的废油脂经预处理后可用于生产燃料油或生物塑料；得到的生物炭肥料产品（N+P2O5+K2O）>5%，可提高作物产量3-8%。该方法实现能源100%自供，尾气达标排放，清洁环保，具有良好的经济效益与环境效益。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于，所述的步骤2）中水热处理的温度为200℃，压力为10bar，时间为30min；
所述的步骤2）中产物分离的方法为真空抽滤法；
所述的步骤3）中产物分离的方法为真空抽滤法；
所述的步骤3）中餐厨垃圾分离水相与污泥水热液相混合，混合时间为10min；
所述的步骤3）中厌氧发酵的条件为碳氮比为35:1，pH值为8；
所述的步骤4）中餐厨垃圾分离固相、污泥水热固相与沼渣混合的比例为：餐厨垃圾分离固相与沼渣的总重占污泥水热固相总重的50%，混合时间为30min；
所述的步骤4）中烘干的温度为120℃；
所述的步骤4）中炭化温度为950℃，物料停留时间为5min。
本实施例所述的方法可实现污泥与餐厨垃圾资源化协同利用，厌氧发酵产气率≥0.25m3/kgCOD，燃气中甲烷含量>85%；产出的废油脂经预处理后可用于生产燃料油或生物塑料；得到的生物炭肥料产品（N+P2O5+K2O）>5%，可提高作物产量3-8%。该方法实现能源100%自供，尾气达标排放，清洁环保，具有良好的经济效益与环境效益。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种污泥与餐厨垃圾的处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将餐厨垃圾进行破碎、浆化、分离，获得废油脂、餐厨垃圾分离水相与餐厨垃圾分离固相；
2)将污泥进行水热处理，产物分离后获得污泥水热液相与污泥水热固相；
3)将所述的餐厨垃圾分离水相与所述的污泥水热液相混合，厌氧发酵后产物分离获得生物燃气、沼渣与沼液；
4)将所述的餐厨垃圾分离固相、所述的污泥水热固相与步骤3)中获得的沼渣一起混合、烘干、炭化后制备热解生物炭，炭化的温度为500℃-950℃；
其中，步骤1)中所获得的废油脂用作生产燃料或生物塑料的原料；步骤3)中所获得的生物燃气作为燃料使用；步骤4)中所获得的热解生物炭用于吸收步骤3)中获得的沼液，负载沼液中营养成分后得到生物炭肥料。
2.根据权利要求1所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法，其特征在于：所述的步骤2)中水热处理的温度为100-200℃，压力为2-10bar，时间为30-120min。
3.根据权利要求1所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法，其特征在于：所述的步骤2)中产物分离的方法为板框压滤法或真空抽滤法；
任选的，所述的步骤3)中产物分离的方法为板框压滤法或真空抽滤法。
4.根据权利要求1所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法，其特征在于：所述的步骤3)中餐厨垃圾分离水相与污泥水热液相混合，混合时间为5-10min。
5.根据权利要求1所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法，其特征在于：所述的步骤3)中厌氧发酵的条件为碳氮比为15：1-35:1，pH值为6-8。
6.根据权利要求1所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法，其特征在于：所述的步骤4)中餐厨垃圾分离固相、污泥水热固相与沼渣混合的比例为：餐厨垃圾分离固相与沼渣的总重占污泥水热固相总重的5-50％，混合时间为5-30min。
7.根据权利要求1所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法，其特征在于：所述的步骤4)中炭化产生的热解气作为炭化过程的能源，热解气燃烧后产生的烟气余热用于所述的步骤4)中的烘干。
8.根据权利要求1所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法，其特征在于：所述的步骤4)中烘干的温度为50℃-120℃。
9.根据权利要求1所述的污泥与餐厨垃圾的处理方法，其特征在于：所述的步骤4)中炭化的物料停留时间为5-60min。
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